3. Применение операционных усилителей

В настоящее время в электронике широкое распространение получила цифровая обработка сигналов. Цифровые методы, основывающиеся на использовании микропроцессоров, проникли во множество областей радиоэлектроники и привели к созданию совершенно новых способов обработки сигналов. Одновременно наблюдается развитие аналоговой электроники, поскольку по мере развития систем цифровой обработки повышаются требования к качеству входных и выходных аналоговых сигналов. Операционный усилитель является базовым элементом устройств аналоговой обработки сигналов. Поэтому разработчик систем сбора, передачи и обработки измерительной информации должен обладать знаниями параметров ОУ (схем их включения и умением проектировать устройства на основе ОУ).В настоящем разделе рассматриваются некоторые основные применения ОУ в аналоговой схемотехнике.

3.1.Отрицательная обратная связь.

Во многих случаях ОУ применяется с отрицательной обратной связью. При этом характеристики схемы не зависят от коэффициента усиления операционного усилителя без обратной связи К, а определяются только параметрами внешних элементов.

Принцип введения отрицательной обратной связи иллюстрируется на рис. 2.1

Рис. 2.1. Принцип отрицательной обратной связи

Часть выходного напряжения возвращается через цепь обратной связи к входу усилителя. Коэффициент обратной связи β показывает, какая часть выходного напряжения подается на вход; он может принимать значения от нуля до единицы.

Если, как это показано на рис. 2.1, напряжение обратной связи вычитается из входного напряжения, обратная связь называется отрицательной.

Для физического анализа схемы, представленной на рис. 2.1, допустим, что входное напряжение изменилось от нуля до некоторого положительного значения U_ВХ. В первый момент выходное напряжение U_ВЫХ, а, следовательно, и напряжение обратной связи βU_ВЫХ также равны нулю. При этом напряжение, приложенное к входу операционного усилителя, составит U_Д = U_ВХ. Так как это напряжение усиливается усилителем с большим коэффициентом усиления K_U, то величина U_ВЫХ быстро возрастет до некоторого положительного значения и вместе с ней возрастет также величина βU_ВЫХ. Это приведет к уменьшению напряжения U_Д, приложенного к входу усилителя. Тот факт, что выходное напряжение воздействует на входное напряжение, причем так, что это влияние направлено в сторону, противоположную изменениям входной величины и есть проявление отрицательной обратной связи. После достижения устойчивого состояния выходное напряжение ОУ

U_ВЫХ =K_UU_Д =K_U(U_ВХ–βU_ВЫХ).

Решив это уравнение относительно U_ВЫХ, получим:

K=U_ВЫХ /U_ВХ =K_U/(1 + βK_U)(2.1)

При βK_U>>1 коэффициент усиления ОУ, охваченного обратной связью составит

K = 1/β(2.2)

Таким образом, из этого соотношения следует, что коэффициент усиления ОУ с обратной связью определяется почти исключительно только обратной связью и мало зависит от параметров самого усилителя. В простейшем случае цепь обратной связи представляет собой резистивный делитель напряжения. При этом схема с ОУ работает как линейный усилитель, коэффициент усиления которого определяется только коэффициентом ослабления цепи обратной связи. Если в качестве цепи обратной связи применяется RC-цепь, то образуется активный фильтр. Наконец, включение в цепь обратной связи ОУ диодов и транзисторов позволяет реализовать нелинейные преобразования сигналов с высокой точностью.